染料敏化太阳能电池复合光阳极的设计与调控
发布时间：2020-09-10 21:10
资源短缺和环境污染已逐渐变成各国家和地区发展的绊脚石。太阳能作为可循环再生的清洁能源,因为储量巨大、环保、地理因素限制小等优势,越来越受到人们的关注。使用太阳能的本质是将光能转换为可被人们使用的电能和热能,其中,太阳能电池通过物理化学方法,可直接将光能转换为电能。随着该类电池研究不断深入,已经形成了硅系太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、有机太阳能电池、钙钛矿太阳能电池、纳米晶太阳能电池等体系。其中染料敏化太阳能电池(DSSCs),因无污染、成本低、性能好、易制作等特点有望在未来得到大规模的应用。本论文面向染料敏化太阳能电池(DSSCs)光阳极的光电性能展开研究。光阳极薄膜是构成DSSCs的重要组分,它的主要功能是吸收染料分子、抑制电子与空穴的复合、构建光子散射路径和电子传导通道,进而决定DSSCs的光电性能。调控光阳极薄膜材料的种类和结构对提升DSSCs的光电性能至关重要,在众多光阳极薄膜材料中,TiO_2拥有合适的禁带宽度、良好的光电特性和稳定性,且储量大、无毒等天然优势,被广泛应用在DSSCs光阳极中。然而,由于光生电子在DSSCs光阳极薄膜传输的过程中容易被复合掉,从而影响DSSCs的光电性能。本论文为了提高DSSCs的光电特性和光电转换效率,探索了DSSCs薄膜的复合材料和新形貌,设计了SnO_2@Air@TiO_2双中空海胆微球和以ZIF-8为模板的中空TiO_2海胆多面体两种微观结构的光阳极薄膜材料,通过优化薄膜材料复合组分和形貌来改善光电性能,进而提高DSSCs的光电转换效率(PCE):(1)设计并制备了SnO_2@Air@TiO_2双中空海胆微球(SATS),用于光阳极薄膜材料。运用了逐层包覆的思路来制备该微球,首先利用水热法合成SnO_2中空球,再利用溶胶凝胶法来包覆SiO_2颗粒的外层,接着利用溶剂热在微球外部生长出TiO_2纳米棒。最后,用强碱把中间层的SiO_2洗去,创造出双中空微球的结构。基于SATS的DSSCs最高获得了13.72mA/cm~2的短路电流密度,对应的PCE达到了6.87%,是单一P25薄膜电池效率的1.35倍。这种独特的结构增大了染料的吸附量,促进了光子的有效捕获,又有利于光生电子的快速传输,在DSSCs应用的研究上具有一定的指导作用。(2)以金属有机物框架(MOF)为模板,包覆并生长TiO_2纳米片,煅烧后形成中空TiO_2海胆多面体结构。该多面体具有特殊的形貌和高度的结晶性,表现出很好的光子反射率和电子扩散效率,因此,制成DSSCs的PCE值达到了6.94%,具有极大的应用潜力。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM914.4
【部分图文】：
全球太阳能资源分布
型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池。其中硅太阳能电池拥有工业化进程最领先，研发水平最先进，且市场化运作最成功的优势。详细分类如图 1.2。图1.2 太阳能电池种类1.2.1 硅太阳能电池硅太阳能电池可分成单晶硅、多晶硅薄膜以及非晶硅薄膜太阳能电池三类，其商业化的发展状况如图 1.3 所示。单晶硅太阳能电池是研发水平较高、光电转化效率较大、工业化水平较高、商业化推广较成功的一种。最大的理论PCE值为24.7%，工业化产出的PCE值达到了15%，在商业化的产出与收入模式中仍处于优势地位。但是其原料的生产价格过于昂贵，且制作条件非常复杂。因此为了简化生产的工艺，增加生产的利润，使用了其他两种原料来代替单晶硅原料。多晶硅薄膜太阳能电池的最大优势在于较低的原料价格，而且其理论的和商业化的 PCE 值都略小于单晶硅太阳能电池。最大的理论 PCE 值为 18%，工业化产出的 PCE值达到了 10%。例如
[8]。图1.3 硅系太阳能电池板应用于日常生活1.2.2 多元化合物薄膜太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池是一类非常重要的光伏器件。其普遍用无机盐半导体作为最基础的原料，主要包括Ⅲ V 族（GaAs、Inp）、Ⅱ Ⅵ族（CdS、CdTe）和Ⅰ Ⅲ Ⅵ族（CuInSe2、CuInS2）薄膜太阳能电池等。GaAs 薄膜太阳能电池的理论 PCE 值突破了 28%，GaAs 材料的带隙宽度为 1.42eV，且具有较高的光吸收效率、较低的热敏性和较强的抗辐射能力，因此，其光电转换效率很高[9]。但缺点是成本太高，制备工艺复杂，不适合市场化发展，目前仅适用于太空领域。CdTe、CdS 薄膜太阳能电池的 PCE 值也相对较高，日本 Matsushita Battery 研制出小面积的 CdTe 太阳能电池（图 1.4），其理论转换效率达到了 16%
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM914.4
【部分图文】：
全球太阳能资源分布
型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池。其中硅太阳能电池拥有工业化进程最领先，研发水平最先进，且市场化运作最成功的优势。详细分类如图 1.2。图1.2 太阳能电池种类1.2.1 硅太阳能电池硅太阳能电池可分成单晶硅、多晶硅薄膜以及非晶硅薄膜太阳能电池三类，其商业化的发展状况如图 1.3 所示。单晶硅太阳能电池是研发水平较高、光电转化效率较大、工业化水平较高、商业化推广较成功的一种。最大的理论PCE值为24.7%，工业化产出的PCE值达到了15%，在商业化的产出与收入模式中仍处于优势地位。但是其原料的生产价格过于昂贵，且制作条件非常复杂。因此为了简化生产的工艺，增加生产的利润，使用了其他两种原料来代替单晶硅原料。多晶硅薄膜太阳能电池的最大优势在于较低的原料价格，而且其理论的和商业化的 PCE 值都略小于单晶硅太阳能电池。最大的理论 PCE 值为 18%，工业化产出的 PCE值达到了 10%。例如
[8]。图1.3 硅系太阳能电池板应用于日常生活1.2.2 多元化合物薄膜太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池是一类非常重要的光伏器件。其普遍用无机盐半导体作为最基础的原料，主要包括Ⅲ V 族（GaAs、Inp）、Ⅱ Ⅵ族（CdS、CdTe）和Ⅰ Ⅲ Ⅵ族（CuInSe2、CuInS2）薄膜太阳能电池等。GaAs 薄膜太阳能电池的理论 PCE 值突破了 28%，GaAs 材料的带隙宽度为 1.42eV，且具有较高的光吸收效率、较低的热敏性和较强的抗辐射能力，因此，其光电转换效率很高[9]。但缺点是成本太高，制备工艺复杂，不适合市场化发展，目前仅适用于太空领域。CdTe、CdS 薄膜太阳能电池的 PCE 值也相对较高，日本 Matsushita Battery 研制出小面积的 CdTe 太阳能电池（图 1.4），其理论转换效率达到了 16%
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本文编号：2816334
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